EMC电磁屏蔽:静电、磁场与天线耦合

原创 工程师看海 2022-10-11 07:17
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不管什么电子产品,EMC始终是其需要面对的问题,EMC全拼是Electromagnetic Compatibility即电磁兼容性,EMC分为EMS(electromagnetic susceptibility)电磁抗扰度和EMI( Electromagnetic interference)电磁干扰两部分,一个是评估产品自身稳定性的,另一个是评估产品对外噪声水平的,都是产品质量的重要指标,本文以手机为例,介绍EMC、静电浪涌的基本原理以及常见解决措施,有助于指导工程师PCB layout以及解决实际EMC问题。

万事万物皆有干扰,有干扰才有抗干扰,解决EMC问题就有3大方向,围绕这三大方向,可以幻化出非常多的解决措施,太极生两仪,两仪生四象,四象生八卦,八卦千变万化。这3大方向分别是干扰源、干扰传播路径、干扰受体。

世界上没有无缘无故的爱,也没有无缘无故的恨,咱们就先从干扰源谈起。

而按照干扰传播路径,有空间和传导两种干扰,不同的路径有不同的干扰源。


咱们就说说静电耦合、磁场耦合和天线耦合。



1. 静电耦合

静电耦合对电场敏感,也叫电场耦合或容性偶尔还,一般电压大电流小,其简化模型如下:干扰方和受害方之间通过电容耦合,干扰方产生的电场会通过电容(pF级别)作用于受害方,进而在受害方产生噪声,这就是静电干扰。

如果受害方阻抗大,那么产生的干扰也会变大,这就是高阻抗电路更容易接收噪声的原因之一。


那么缓解静电耦合引起的干扰手段有哪些呢?

  1. 增加间距。通过减小耦合电容,来降低干扰。

  2. 缩短耦合长度。减小两条走线平行部分的长度,相当于减少了并联的电容,进而降低耦合电容引起的干扰。

  3. 静电屏蔽。金属接地屏蔽,阻断干扰方和受害方,如下图。

  4. 降低干扰源电压。

  5. 在干扰源源端滤波。

2. 磁场耦合

有爱必有恨,有电容就有电感,二者是对偶器件,磁场耦合就是基于感性的耦合,也叫感性耦合,电压小电流大,当导线流过电流时,会产生磁场,磁场会通过互感作用于受害线路,进而产生干扰,这就是磁场耦合。


那么缓解电磁耦合引起的干扰手段有哪些呢?

  1. 增加间距。通过减小互感系数,来降低干扰。

  2. 缩短耦合长度,垂直交叉走线。减小两条走线平行部分的长度,相当于减少了互感。

  3. 电磁屏蔽。通过金属板涡流阻断磁场,可以不接地,如果金属板用于回流,则接地。

  4. 降低干扰源电流。

  5. 在干扰源源端滤波。

3. 电磁耦合与天线

静电耦合和磁场耦合对距离很敏感,属于近距离干扰,增加距离可以大幅降低干扰,但是无线电波的干扰,属于远距离干扰,对距离并不是很敏感,又叫做辐射耦合。

天线可以产生无线电波,天线可以分为偶极子天线和环形天线两种,如下图所示,这些天线既可以发射信号,又可以接收信号(拾取噪声),因此,作为发射天线时,我们要尽量避免天线产生干扰;对于受害器件而言尽量避免内部设计产生无用的天线,导致拾取到无线电波干扰。

偶极子天线对电压敏感,环形天线对电流敏感。

4. 偶极子天线

对于偶极子而言,长度为1/2波长时更容易发生无线电波,比如对于750MHz信号而言,被发射到空中后的速度为光速3*10^8 m/s,波长就是400mm,波长的一半就是200mm,所以如果天线长度小于200mm就有助于减小干扰;

λ=C/f,λ:波长;C:速度;f:频率

在天线前面加入LC滤波器,既可以抑制高频谐波降低EMI,又可以做阻抗匹配实现最佳发射功率。

我们在走线时也要避免出现单独线头,这种线头可能成为发射或接收天线。


5. 环形天线

很多基于法拉第电磁感应定律的磁场检测设备,就是使用探查线圈来拾取磁场。环形天线既可以发射电波又可以接收电波,降低发射环形天线的面积,是降低干扰的有效方法之一。我们PCB layout时也要缩短走线长度,避免形成发射或接收的环形天线。


5. 近场与远场

近场与远场是一对非常重要的概念,对于指导我们优化EMC有重要作用。

近场与远场的分界线是d=λ/2π,λ是波长,当天线距离小于d时是近场,大于d时是远场。

图来自村田官网

偶极子近场范围内电场更强,电场随距离衰减更快。

环形天线近场范围内磁场更强,磁场随距离衰减更快。

但不管是偶极子天线还是环形天线,在远场范围内,电、磁场随距离衰减速度一致,此时的波阻抗为377Ω,这是重要的参数,后面会用到。


6. 空间传导噪声抑制

对于静电耦合和电磁耦合的噪声抑制方法,前文已经介绍了,这里不做赘述,这部分介绍屏蔽材料对电波干扰的抑制,也叫做电磁屏蔽。

屏蔽效果可以用SE = R + A近似表示,R表示反射损耗,A表示衰减损耗。

反射损耗R是利用阻抗不匹配,将噪声反射,来抑制干扰,和阻抗非常相关,记不记得前文的377Ω?一会就会用到。

而衰减损耗是利用高频趋肤效应来衰减电磁波,和屏蔽材料、频率有关。

前文提到过远场波阻抗是377Ω,而铜板等屏蔽材料是高电导率材料,其阻抗非常非常小,10MHZ时,铜的固有阻抗大约只有1mΩ,相差了30万倍,铁的阻抗也非常小,远场波阻抗与屏蔽材料阻抗差距巨大,产生反射,因此单看反射系数,就可以达到100dB的衰减效果。

如果使用导电率更高的材料,反射损耗就更多,屏蔽效果就越好。

从下图也可以看出,使用更厚的材料,衰减损耗就更多,屏蔽效果也越好。

图来自村田官网

趋肤深度是评价趋肤效应强度的参数,相同尺寸的不同材料,趋肤深度更小的材料对干扰衰减更强,抑制干扰的效果越好。

下图是本节重点!

铁的电导率比铜低,但磁导率比铜高。

从下图可以解读出,相同频率时,铁比铜趋肤深度更小,即由于铁的磁导率高,衰减损耗更大,衰减损耗引起的抗干扰效果更好。

从上图还可以解读出,频率越高,趋肤深度就越小,因此高频时即使用非常薄的金属材料就可以实现良好的屏蔽效果。

但是!

如果频率很低,那么趋肤深度就很大,抑制低频干扰需要非常厚的屏蔽材料,此时使用高磁导率的铁等材料屏蔽效果更好。

高频干扰屏蔽电场,选用较薄材料;

低频干扰屏蔽磁场,使用胶厚材料就是这么来的。

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